CN115836362A - 熔盐反应堆中的惰性气体气泡形成的控制 - Google Patents

Abstract

一种熔盐裂变反应堆。反应堆包括反应堆堆芯，该反应堆堆芯包括多个燃料管。每个燃料管均容纳燃料盐和气体界面。燃料盐是一种或多种裂变同位素的熔盐。气体界面是燃料盐的在反应堆操作期间与气体空间接触的表面。反应堆还包括燃料盐冷却系统，该燃料盐冷却系统被配置为用于冷却燃料盐。冷却系统包括热交换器和冷却剂箱。冷却剂箱容纳冷却剂液体，燃料管至少部分地浸没于冷却剂液体中。热交换器用于从冷却剂液体中提取热量。燃料盐冷却系统被配置为：使得在反应堆操作期间，对于每个燃料管内的燃料盐内的除了在相应的气体界面处的所有点：

Description

熔盐反应堆中的惰性气体气泡形成的控制

技术领域

本发明涉及裂变反应堆。特别地，本发明涉及为了控制熔盐反应堆的燃料盐内的气泡的形成的操作的反应堆设计和方法。

背景技术

自20世纪60年代美国熔盐反应堆实验成功进行以来，人们就知道使用熔盐作为燃料的核反应堆(MSR)。从那时起，人们就开始构思许多熔盐反应堆的设计。这种反应堆分为两类。

在第一类泵送MSR的反应堆中，熔盐燃料在反应室和热交换器之间被主动泵送，在反应室中燃料进入临界状态并产生裂变热量，在热交换器中该热量传递到另一种流体——通常是另一种不含裂变元素的熔盐(“冷却剂盐”)——并且用于发电。

在第二类静态熔盐反应堆中，熔盐燃料位于通常形成为燃料管组件的燃料管内，并且仅通过自然对流在管内移动，其中，燃料保留在反应堆堆芯内，而不被泵送到堆芯之外。第二流体(例如冷却剂盐)流过燃料管并从堆芯移除热量。燃料盐在其整个操作寿命中都保留在堆芯中，通过移除乏燃料组件并将其更换为新的组件来进行更新，这与含有固体燃料元件的燃料组件的情况基本相同。在GB2508537及其等效物中描述了第二类MSR。

熔盐反应堆不可避免地产生稀有气体作为裂变产物，并且这些气体在熔盐燃料中的溶解度低。对于反应堆的安全至关重要的是，惰性气体从活性反应堆堆芯中的移动是高度可预测的，因为这些气体之一是氙135，氙135是已知最强的中子吸收剂，所以对堆芯的反应性具有重大影响。

在第一类泵送熔盐反应堆中，可以通过多种方式(包括用氦喷射燃料盐)去除这些气体。

在第二类熔盐反应堆中管理惰性气体的挑战更大。气体可以从熔盐燃料扩散出来而进入燃料上方的气体空间中，由于它们基本上位于反应堆堆芯之外，所以该气体在气体空间中仅具有很小的反应性影响。然而，也可能的是，它们将在燃料管的内表面上形成气泡。由于物理冲击或其他影响，这些气泡可能被触发而从管分离；随着大量气泡同时上升，燃料盐进入气体空间中并导致堆芯反应性大幅增加。

这将是不可接受的安全漏洞，因此需要确保燃料管中不会发生气泡形成。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种熔盐裂变反应堆。该反应堆包括反应堆堆芯，该反应堆堆芯包括多个燃料管。每个燃料管均容纳燃料盐和气体界面。燃料盐是一种或多种裂变同位素的熔盐。气体界面是燃料盐的在反应堆操作期间与气体空间接触的表面。反应堆还包括燃料盐冷却系统，该燃料盐冷却系统被配置为冷却燃料盐。冷却系统包括热交换器和冷却剂箱。冷却剂箱容纳冷却剂液体，燃料管至少部分地浸没于冷却剂液体中。热交换器用于从冷却剂液体中提取热量。燃料盐冷却系统被配置为使得在反应堆操作期间，对于每个燃料管内的燃料盐内的除了在相应的气体界面处的所有点：

其中：

T₁是燃料盐在气体界面处的温度；

T₂是燃料盐在测量点处的温度；

P₁是气体界面处的绝对压力；

P₂是测量点处的绝对压力；

R_He是氦的气体常数；

ΔH_He是氦在燃料盐中的溶解焓。

因此，氦在气体界面处的溶解度最低。

燃料盐冷却系统被配置为使得在反应堆操作期间，惰性气体(例如，如上所述的氦，或从氦到氙的任何其他惰性气体)在靠近气体界面的燃料盐中的溶解度低于其在燃料管中其他地方的溶解度。这确保了惰性气体除了在靠近气体界面的区域中之外不会达到饱和浓度，因此不会形成气泡。

惰性气体在燃料盐中的溶解度是以下各项的函数：

·燃料盐的性质

·气体的性质(氙由于其较高的中子吸收率而特别重要)

·燃料盐的温度，其中，随着熔盐温度的升高，稀有气体在熔盐中的溶解度升高

·熔盐的压力，其中，溶解度与压力近似成正比

后两个因素最容易控制。

如果管的顶部处的燃料盐的温度可以保持在低于燃料柱下方的温度的水平，则气泡不会形成，气体将通过在气体界面上扩散而离开燃料盐。该低温可以通过以下机制中的一种或多种来实现：

·通过使用中子吸收器或反射器来抑制燃料管的顶部区域中的核裂变

·确保燃料管的顶部区域中的冷却剂的温度足够低，以保持燃料盐中的低温

·偏转管内的燃料盐的自然对流，从而防止在燃料管的高功率区域中产生的热盐上升到盐的靠近气体界面的区域

然而，压力效应在这样的系统中也是高度相关的。燃料盐是一种稠密液体，并且液柱的流体静力学压力意味着：在恒定温度下，惰性气体在燃料盐柱内的溶解度在较低水平下增加。

因此，即使燃料盐温度在盐柱下方稍低，也可以实现在上部的盐/气体界面处具有最小气体溶解度的目标。

温度和压力效应的平衡决定了核反应堆的安全操作范围。

根据本发明的第二方面，提供了一种操作根据第一方面所述的熔盐裂变反应堆的方法。保持燃料盐的温度，使得在反应堆操作期间，对于每个燃料管内的燃料盐内的除了在相应的气体界面处的所有点：

其中：

T₁是燃料盐在气体界面处的温度；

T₂是燃料盐在测量点处的温度；

P₁是气体界面处的绝对压力；

P₂是测量点处的绝对压力；

R_He是氦的气体常数；

ΔH_He是氦在燃料盐中的溶解焓。

因此，氦在燃料盐中的溶解度在气体界面处最低。

对于氦以外的惰性气体，这可以等效地进行。

附图说明

图1示出了具有向下的冷却剂流的静态MSR。

图2示出了具有向上的冷却剂流的静态MSR。

图3示出了具有缓慢向上的冷却剂盐的流的静态MSR。

图4是沿着管的底部部分的横截面的温度的曲线图。

图5A示出了在燃料盐的顶部处的包壳温度的等值线。

图5B示出了冷却剂出口温度的等值线。

图6示出了在具有向上的冷却剂流的静态MSR中的燃料管的详细视图，其使用置换几何结构来冷却燃料气界面。

图7是横截面中最低燃料温度随高度变化的曲线图，以及饱和浓度将等于燃料表面的温度的轨迹。示出了若干表面压力的轨迹。

图8是横截面中最低燃料温度随高度变化的曲线图，以及饱和浓度将等于燃料表面的温度的轨迹。示出了各种盐特性的轨迹。

图9是横截面中最低燃料温度随高度变化的曲线图，以及饱和浓度将等于燃料表面的温度的轨迹。标记了置换几何结构的位置，以示出其对燃料温度的影响。

具体实施方式

在开发GB2508537中描述的静态熔盐反应堆的安全案例时，我们已经发现熔盐燃料反应堆中存在与惰性气体行为相关联的严重潜在危险，这些危险在当前设计中没有得到充分解决。

反应堆功率可能发生重大瞬态的潜在机制围绕着反应堆堆芯内气泡的存在，特别是在临界区域(即裂变同位素密度足以在操作期间发生自持核反应的区域)。如果溶解在燃料中的气体的浓度保持在其饱和浓度以下，则气泡就不会形成，并且很容易计算溶解气体对反应堆物理的影响。然而，如果气泡形成，则可能会出现更复杂的现象。

分散在燃料盐溶液中的氙气将比气泡中相同数量的气体具有更强的中子吸收效应。这是因为氙135是一种很强的吸收剂，所以在含有氙135的气泡的中心的氙将被气泡本身基本上屏蔽而不受中子的影响。因此，由燃料盐中的气体的过饱和溶液形成气泡会大大减少中子吸收，从而导致堆芯反应性的不希望的和不受控制的增加，这将导致反应堆功率的快速和潜在的未被管理的增加。

其他惰性气体也会出现类似的问题，因为任何气泡都会置换燃料。如果反应堆内的大量气泡同时被置换，并从燃料管的临界区域内上升到表面，这可能导致反应性的大幅增加。

当根据这些发现来查看以前的数据时，重要的线索是熔盐反应堆实验的操作可能存在问题。在报告ORNL 4396(第17页)中，据报道，在约10％的反应堆功率中以显著的频率出现了明显的随机闪烁。尽管进行了大量调查，但从未对这些功率波动做出明确解释。然而，人们认为，燃料盐回路中气体的行为是造成这种现象的原因，并且通过调整泵压力和气体喷射实现了消除该闪烁的经验解决方案。熔盐反应堆实验在非常低的功率(＜10MW)下操作。商业反应堆将以更高的功率操作。由于氙效应的大小与功率成正比，所以这潜在地意味着：在很低功率下可能只是刺激的波动在较高功率下可能会成为严重的危险。在熔盐反应堆实验中，有能力改变氦喷射速率以控制氙气泡问题。在诸如GB2508537中描述的熔盐反应堆中不存在这种能力，其中，燃料盐的气体损失只能通过被动扩散到燃料盐上方的气体空间中而发生。

燃料盐中的实际核裂变过程可能会大大加剧过饱和的问题。

在100kW/升燃料的功率下，每秒的裂变次数可以这样计算：

裂变能量＝3.2e-11焦耳每次裂变

反应堆功率＝100,000焦耳/秒/升燃料盐

裂变率＝100,000/3.2e-11＝3.12e+15次裂变每升燃料盐

每次裂变产生2个裂变碎片，这些碎片是以光速的很大一部分传播的高能原子核。因此，每升盐每秒产生6e+15个这样的高能粒子。它们在中密度材料中的典型路径长度约为20um。

直径为10um的气泡被直径为20um的4/3*3.14*1e-12＝4e-12升的球形体积内产生的任何裂变碎片撞击的概率约为25％。因此，气泡将受到每秒1000次左右的冲击。

这种裂变碎片中的能量比气泡的表面能量高出数个数量级，并导致粒子通过的介质的温度达到数十千度。因此，这可能导致气泡的破坏，气体含量重新溶解在盐中。因此，只要裂变继续，熔盐中的气体就可以保持非常高的过饱和水平。因此，可以建立反应堆堆芯的裂变速率和反应性之间的反馈回路，并可能容易导致不稳定性。

其他潜在现象包括气体气泡在反应堆堆芯内的固体表面上的沉积。这样的气泡可能会累积一段时间，并通过燃料盐的冲击波、振动或流动扰动而从固体表面移开。在这种情况下，吸收材料的大量的中子可能在短时间内离开堆芯，导致堆芯反应性突然增加，并可能产生破坏性的电涌。此外，用裂变燃料盐替代的堆芯的空隙体积的去除(即，增加临界区域内的平均燃料盐密度)可能会导致反应性再次增加。

尽管这些现象在所有熔盐反应堆中都令人担忧，但它们在静态熔盐反应堆类别中尤其令人担忧，因为在这种反应堆中的燃料盐在自然对流下以相对低的速度流动，并且因此，气泡更容易在燃料管的内表面上形成和积累，而不是在以相对较高的速度泵送盐的反应堆中形成和积累。

明显的是，允许在操作过程中在反应堆堆芯的临界区域内形成气泡的情况下，要确保在熔盐反应堆中不会发生意外的危险影响是非常困难的。因此，非常希望将这种反应堆的堆芯中的熔盐中的溶解气体的浓度保持在其饱和浓度以下，从而使得在堆芯区域内不可能形成气泡。

惰性气体在熔盐中的溶解度随着温度的升高而增加，这与气体在水中的行为相反(ORNL-2931反应堆化学部年度进展报告，1960年1月31日)。这样做的结果是，在盐处于其最高温度的气体/盐界面处，气体将溶解在盐中。随着盐的冷却，气体因此可以在盐中变得过饱和，并容易形成气泡。

此外，随着裂变气体在燃料盐中不断产生，燃料盐中这些气体的浓度将上升，直到以与产量相等的速率发生排气。在混合良好的盐中，所有位置中的浓度都相同，在溶解度最低的地方会产生排气——如果这不是表面，那么气泡会从燃料中较低的溶液中冒出。

在下面的描述中，我们建议安排熔盐反应堆的设计，使得与气相接触的盐具有比燃料中的任何其他点更低的气体溶解度。因此，被溶解的气体将穿过界面扩散出盐，而不会形成气泡。

大多数熔盐反应堆设计——包括GB2508537中所描述的设计——都利用了熔盐加热时增加的浮力来部分或完全驱动熔盐的循环。这必然要求盐流的方向向上。然而，遗憾的是，这也意味着冷却剂盐温度在燃料管的顶部处最高，这使得很难避免该区域中的燃料盐更热，因此对惰性气体的溶解度比堆芯下方的溶解度更高，尤其是在冷却剂温度更低的管的底部处。

因此，一种降低气体界面附近的燃料盐的温度的方法是将冷却剂盐的流动方向反向为竖直向下，从而当冷却剂盐向下流过堆芯时，冷却剂盐温度升高。这具有与自然对流力相反的缺点，但确保了流动回路的上部区域处于较低的温度。

在冷却剂流动方向不可能反转的情况下，例如在静态熔盐反应堆中，其中冷却剂流动是通过自然对流进行的，仍然可以确保燃料盐的上表面是燃料盐中气体溶解度最低的点。这可以通过以下方法之一或组合来实现：

·通过用中子吸收材料对靠近管的顶部的燃料盐进行筛选，减少燃料盐中的热量产生

·引入二次冷却剂盐流，以冷却燃料管的顶部区域和燃料盐

·将管中的燃料盐上方的气体空间冷却到低于管中的任何地方的管壁的最低温度的温度，使气体的对流冷却燃料盐的上表面，尽管管外的冷却剂在该表面水平面处更热。气体空间的这种冷却可以通过补充更凉的冷却剂盐的流、在含有气体的燃料管的在冷却剂盐的表面上方的部分进入温度较低的区域中或主动地将冷却气体通入到燃料管中的气体空间中来实现。

·将挡板放置在燃料盐表面下方一小段距离处，以便来自管下方的热区域的大量对流不会到达表面，同时仍允许熔盐缓慢混合和气体通过挡板扩散到该表面

·保持相对缓慢的冷却剂流率，以使得在管的底部处的壁处，冷却剂温度最低，其介于本体燃料盐和具有中间温度的冷却剂盐的温度之间，该中间温度高于管的顶部处的燃料盐的表面温度。在该方法中，可能的是，燃料上方的气体空间与燃料盐水平面上方的燃料管接触，比冷却剂处于其最低温度但与热燃料盐接触的管的壁更冷。

·提供插件以将盐从靠近表面和在表面处的区域中的管的中心移开，仅保持盐的薄周边与壁接触。这种薄的盐带将具有与之前相同的冷却表面面积，但产生热量的体积非常小。因此，剩余的盐将被冷却剂冷却。

·将隔热材料添加到燃料管的底部，以提高内部燃料的温度

·在燃料管的底部上方注入冷却剂，同时使下部区段未冷却

图1示出了具有向下的冷却剂流的静态MSR。反应堆由含有燃料盐102的竖直燃料管101组成，燃料盐102可以任选地由石墨或其他慢化剂材料(未示出)的慢化剂结构间隔开。围绕包括反应堆堆芯和热交换器104的回路泵送冷却剂103，使得冷却剂向下105流过燃料管，确保燃料管的顶部处(即，紧邻气体空间106处)的燃料盐是燃料管中最冷的，这是由于燃料盐位于反应堆堆芯的外部边缘处的位置导致功率密度降低以及与燃料管的顶部接触的冷却剂温度较低的共同作用。

图2示出了具有向上的冷却剂流的静态MSR。静态熔盐反应堆具有竖直定向的燃料管205，其中，燃料管的顶部气体填充部分207从循环的冷却剂盐203进入比冷却剂盐温度低的区域中。冷却剂盐通过自然对流204循环通过堆芯和热交换器208。冷却剂盐上方的气体空间由包括冷气体入口201和冷气体出口202的冷气体系统冷却，进而冷却燃料管的上部区段，该上部区段又冷却燃料管内的气体。对流单元的结果是冷气体从燃料管内的外部区域落下，通过与燃料盐的上表面接触而被加热，然后上升到燃料管的中心。这导致燃料盐的最上层的冷却，产生用于保持燃料盐低于燃料盐主体中的饱和气体浓度所需的低温气体/盐界面。

图3示出了具有缓慢向上的冷却剂盐流的静态MSR。反应堆由含有燃料盐302的竖直燃料管301组成，燃料盐可以任选地由石墨或其他慢化剂材料的慢化剂结构间隔开。冷却剂盐303仅通过具有相对慢流率的自然对流向上305循环通过堆芯并向下循环通过热交换器304。冷却剂的流率和燃料盐中的功率密度使得管的底部处的管壁温度高于从堆芯的顶部出现的冷却剂的温度。这意味着气体空间306将比任何燃料盐都冷，这是由于由从堆芯出现的冷却剂的冷却。燃料盐的上表面的温度低于燃料盐中的任何其他地方的温度，这是由于通过热冷却剂冷却最上面的燃料盐层和通过冷却剂上方的气体空间中的气体对流冷却该表面的共同作用。

图4是沿着管的底部部分的横截面的温度的曲线图。该图示出了三个区域——管底410处的冷却剂盐、底部管壁420和燃料盐430——的温度。从曲线图中可以看出，管底部处的冷却剂盐的温度低于管壁的温度，而管壁的温度又低于燃料盐的温度。燃料管401的顶部处的冷却剂温度低于底部管壁的温度——这意味着溶解的气体将优先排入到管的顶部处的气体空间中，而不是在管壁上形成气泡。

燃料管壁、管的底部处的冷却剂盐和管的顶部处的冷却剂盐的相对温度将取决于燃料管尺寸、冷却剂盐的流率、进入堆芯的冷却剂盐温度以及核反应的功率密度。特别地，已经发现能够测试解决方案的可行性的模型包括：

·燃料盐中的平均功率密度

·每个燃料管的直径

·每个燃料管的高度

·围绕燃料管的冷却剂盐环的厚度(即冷却剂围绕管流动的空间有多大)

·冷却剂入口温度

·冷却剂出口温度

·在燃料管的底部处的燃料管包壳的温度

可以以如下两种方式来使用该模型：一种方式是假设管沿其长度均匀地产生热量(直到燃料盐的顶部的水平面)，以用于更为简单的模型；另一种方式是考虑燃料管中的能量产生的竖直梯度，以用于更精确的模型。例如，可以使用更为简单的模型来识别目标参数值，然后用更精确的模型或实验来检查这些目标参数值。

对于给定的功率密度、冷却剂盐入口温度、燃料管长度、燃料管直径和环厚度，可以计算出冷却剂出口温度和在燃料盐的顶部处的燃料管的温度。冷却剂出口温度与在燃料盐的顶部处的燃料管包壳的温度之间的差等于冷却剂入口温度与底部处的燃料管包壳的温度之间的差。冷却剂入口温度是定义的参数，因此可以用于计算燃料管的底部处的包壳的温度。

作为另一个示例，通过固定模型中除两个输入变量以外的所有输入变量(例如，固定功率密度、入口温度和燃料管长度)，可以根据其他两个变量绘制冷却剂出口温度和包壳温度的曲线图(在这种情况下，燃料销直径和环形厚度)。图5A和图5B中示出了这样的示例，其中，图5A示出了燃料盐的顶部处的包壳温度的等值线，图5B示出了冷却剂出口温度的等值线，其中，额外的粗线801示出了包壳的顶部处的温度为1000℃的区域。这可以用于确定冷却剂温度和燃料管包壳温度之间的差，并因此确定曲线图的哪些区域对应于管的底部处的管壁温度大于管的顶部处的冷却剂盐温度的所需关系。

替代地，可以使用本领域已知的其他模拟、建模或原型制作方法和技术来确定所需的参数。

将明白的是，该分析仅用于模拟——对于实际的反应堆，可以简单地测量温度以确定它们是否处于正确的关系。

可选地，中子吸收结构可以被插入在燃料管内部或外部的从燃料盐表面的正下方到燃料管中的气体空间的部分上方的任何位置，从而在燃料盐的最上层中抑制裂变。

图6示出了具有向上的冷却剂流606的静态MSR中的燃料管的详细视图，其使用置换几何结构602来冷却燃料气体界面607。燃料盐604中产生的热量只能通过燃料管壁605移除。在大多数燃料中，这会导致燃料管中心的温度大幅升高，因为热量是在那里以体积的方式产生的。在薄环形区域608中，产热燃料的体积急剧减少，但燃料管壁的表面面积与没有置换几何结构的管保持相同，这导致燃料-气体界面的温度远比燃料的其余部分更接近冷却剂温度。

流体中气体溶解度的一般等式由亨利定律给出：c_a＝P*H^cp，其中，c_a是以Mol/cc为单位的溶解度，P是大气中气体在表面处的分压(1atm＝101325Pa)，H^cp是流体的亨利溶解度。这可以通过将H^cp替换为

来实现温度依赖性，其中，H(T)是温度T的更新的亨利常数，H^o是参考温度T^o下的亨利常数，ΔH是溶解焓，并且R是所涉及气体的气体常数。注意，变量ΔH和H中的“H”是完全不同的量，并且不应混淆。

在盐深处形成的任何气泡表面都将处于在该深度的盐的流体静力学压力下。这意味着气泡中气体的分压将等于流体静力学压力(对于单一气体)。因此，当计算表面下方的区域中的饱和浓度时，使用该点处的盐流体静力学压力而不是盐表面压力。

图7示出了燃料盐701沿燃料销的高度的温度，该燃料销由向上的流冷却。为了列举这个示例，如果T^o＝873.15°K，H^o＝1.94*10^-8mol/cc/atm，ΔH＝353390J/kg，并且R＝63.33J/kg/K(这是在53-47mol％的NaF-ZrF₄混合物中测得的氙气溶解度行为，用作示例)，那么在1Bar压力和879.7°K温度下的盐将在2.0079*10^-8Mol/cc的气体浓度下饱和。

由于燃料的深度为1800mm，平均密度为3181.7kg/m³，销的底部处的绝对压力为1.561Bar。销的底部处的盐的温度为825.3°K，因此，尽管温度较低，燃料仍将在2.0633*10^{- 8}Mol/cc的较高浓度下饱和。

为了使管的底部处的燃料在与顶部相同的气体浓度下饱和，底部处的温度将必须等于温度

其中，P₁和T₁是燃料表面处的压力和温度，并且P₂和T₂是管的底部处的压力和温度。这种关系适用于燃料中的任何深度。对于图7中所示的示例，燃料底部处的极限温度为822.0°K。0.5Bar的较低表面压力允许极限温度低于786.4°K。

因此，为了确保氙不会从溶液中逸出，除非在气体界面处，反应堆被配置为使得

应当注意，前面讨论的T₂＞T₁的示例将始终满足该关系，因为右手侧将始终小于T₁。

温度的轨迹702如图7所示。该轨迹示出了燃料盐在该高度下将必须下降的温度，以使燃料表面的溶解度与1Bar的表面压力相匹配。第二轨迹703被示出为针对0.5Bar的表面处的不同的绝对压力。

由于轨迹702和703所描述的溶解度极限是相对于燃料表面的，所以它们不受常数H^o的影响。

在其中燃料表面饱和、无法溶解更多的气体的混合良好的系统中，该轨迹示出了在管的其余部分中的燃料必须下降才能也达到饱和的温度。

虽然以上的示例都已经集中在氙作为值得关注的示例性气体，但也许可以设计出在仍然安全操作的情况下，能够容忍有限的氙气泡形成，但不能容忍较低原子序数惰性气体气泡的形成的反应堆。对于这种反应堆，可以进行上述分析，但用气体常数R代替氦气、氖气、氩气或氪气的气体常数，用溶液的焓ΔH代替该气体与燃料盐的溶液的焓。较轻的惰性气体的气体常数R(以J/kg°K为单位)越高，ΔH(以J/kg为单位)也越高，尽管其上升速度较慢。这意味着，满足某一惰性气体(例如氩气)的标准的任何反应堆也满足原子序数较低的所有惰性气体(如氦气和氖气)的标准，因为R/ΔH的值将增加，所以最低温度T₂将降低。

图8示出了溶液的焓ΔH如何影响饱和温度的轨迹，其中，轨迹802至809分别为ΔH＝150kJ/kg(802)、200kJ/kg(803)、250kJ/kg(804)、300kJ/kg(805)、350kJ/kg/(806)、400kJ/kg(807)、450kJ/kg(808)和500kJ/kg(809)。

可以从文献中获得惰性气体和熔盐ΔH的许多组合。如果以前的这种测量不可用，则可以通过以下过程进行实验测定ΔH：

1.测量气体在若干不同温度中的每一个温度下、若干不同压力下的、在熔盐中的溶解度；

2.针对每个温度求亨利定律常数H^cp；

3.绘制H^cp与温度的曲线，并将所得到的曲线拟合到(根据亨利定律和范霍夫等式计算)H^cp随温度的预期变化。

下面将更详细地考虑这些步骤中的每一个步骤。

气体在给定温度和压力下在熔盐中的溶解度可以通过任何合适的方法测量。在W.R.Grimes、N.V.Smith和G.M.Watson的J.Phys.Chem.62，862(1958)中描述了一个示例，其中，可以通过允许盐样品用测试气体的纯流进行饱和，同时将条件保持在所需测量点的温度和压力下来测量盐中的气体溶解度。然后，可以分离该盐样品并用不同的气体喷射以除去溶解的测试气体。然后，可以测量出口流中的测试气体的水平，并计算饱和浓度。请注意，Grimes等人使用符号K表示亨利定律常数H^cp。

亨利定律常数H^cp是给定温度下溶解度与压力的曲线图的梯度，或者可以通过将溶解度测量值除以压力从单个测量值中获得亨利定律常数H^cp(尽管一如既往，从多个测量值中获取梯度将提高精度)。

一旦已经针对一组温度求得了H^cp，依赖于温度的亨利常数H的曲线将遵循范霍夫等式：

其中，H^o是参考温度T^o下的H值，R是气体的气体常数。可以将参考温度和H^o的相应参考值选择为测量点之一，然后可以改变参数ΔH以获得最佳拟合(例如，测量值为点和曲线之间的总平方误差中的最小值)。然后，产生最佳拟合的ΔH值可以用于确定上述特定气体/熔盐对的温度关系。

无论使用何种单位，上述推导都是相同的(假设温度是在诸如开尔文这样的系统中测量的，该系统将绝对零度视为0)。溶解度通常表示为摩尔/单位体积(通常为mol/cm³)，H^o通常表示为摩尔/立方厘米/大气压(mol/cm³/atm)或等效单位。ΔH采用焦耳/千克测量(应注意ΔH和R的单位——ΔH通常以cal/mol给出，因此应换算为R的SI值)。

给定气体/熔盐对的ΔH与温度和压力无关(假设气体是气体，熔盐是液体)。因此，用于确定ΔH的温度和压力值的选择不应影响最终结果。然而，合适的压力值可以例如是反应堆的最大操作压力和最小操作压力以及它们的中点，或0.5atm、1atm和1.5atm。合适的温度值可以是，例如，最高操作温度和最低操作温度以及它们的中点，或者在熔盐的熔点以上100、200和300度。

图9a和图9b示出了用CFD模拟的图6中所示的类型的置换几何结构的影响。燃料温度901在受该几何结构影响的区域中降低，使其更接近冷却剂温度902。饱和温度轨迹903在管中的所有点处都保持低于燃料温度902。图9b更好地示出了该几何结构的底边缘904和顶边缘905以及燃料表面906。

Claims (13)

1.一种熔盐裂变反应堆，包括：

反应堆堆芯，所述反应堆堆芯包括多个燃料管，每个燃料管均容纳：

燃料盐，所述燃料盐是一种或多种裂变同位素的熔盐；

所述燃料盐的气体界面，所述燃料盐的气体界面是所述燃料盐的在所述反应堆的操作期间与气体空间接触的表面；

燃料盐冷却系统，所述燃料盐冷却系统被配置为冷却所述燃料盐，所述燃料盐冷却系统包括：

冷却剂箱，所述冷却剂箱容纳冷却剂液体，所述燃料管至少部分地浸没于所述冷却剂液体中，以及

热交换器，所述热交换器用于从所述冷却剂液体中提取热量；

其中：

所述燃料盐冷却系统被配置为：在所述反应堆的操作期间，对于每个燃料管内的所述燃料盐内的除了在相应的气体界面处的所有点：

其中：

T₁是所述燃料盐在所述气体界面处的温度；

T₂是所述燃料盐在测量点处的温度；

P₁是所述气体界面处的绝对压力；

P₂是所述测量点处的绝对压力；

R_He是氦的气体常数；

ΔH_He是氦在所述燃料盐中的溶解焓。

2.根据权利要求1所述的熔盐裂变反应堆，其中，所述燃料盐冷却系统被配置为：在所述反应堆的操作期间，对于每个燃料管内的所述燃料盐内的除了在各自的所述气体界面处的所有点：

其中：

R_X是惰性气体的气体常数；

ΔH_X是所述惰性气体在所述燃料盐中的溶解焓；

所述惰性气体是氖、氩、氪或氙中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的熔盐裂变反应堆，其中，所述燃料盐在每个气体界面处的温度T₁小于所述燃料盐在相应的燃料管的所有其他区域中的温度T₂。

4.根据前述权利要求中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中，所述冷却剂液体被泵送，使得在所述反应堆的操作期间，所述冷却剂液体在与所述燃料管接触时向下流动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中：

每个燃料管均包括上部区段，所述上部区段容纳相应的气体空间；

所述上部区段的至少一部分在所述反应堆的操作期间伸入位于所述冷却剂液体上方的冷却剂气体空间中；

所述熔盐裂变反应堆还包括气体冷却系统，所述气体冷却系统被配置为冷却所述冷却剂气体空间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中，每个燃料管均包括浸没于所述燃料盐中的挡板，所述挡板横过所述燃料管延伸。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中，所述冷却剂液体仅通过自然对流循环通过所述燃料管，并且所述冷却剂液体的流率和所述燃料盐的功率密度使得所述燃料管的在所述燃料管的底部处的壁的温度大于临界区域的顶部处的所述冷却剂的温度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中，每个燃料管的上部区段用中子吸收材料进行屏蔽，使得在使用时，每个燃料管的上部区段内的燃料盐的热量产生少于所述燃料管内的其余所述燃料盐的热量产生。

9.根据前述权利要求中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中，所述冷却系统被配置为将冷却剂盐的二次流引导至所述燃料管的顶部区域。

10.根据前述权利要求中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中，每个燃料管均包括置换元件，所述置换元件从所述气体界面延伸到所述燃料盐中，所述置换元件被配置为从所述燃料管的中心轴线置换燃料盐。

11.根据前述权利要求中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中，在每个燃料管的底部处的区域比每个燃料管的其他区域更隔热。

12.根据前述权利要求中任一项所述的熔盐裂变反应堆，其中，所述冷却系统被配置为使得在每个燃料管的底部处的区域不被所述冷却剂液体直接冷却。

13.一种操作熔盐裂变反应堆的方法，其中，所述熔盐裂变反应堆包括：

反应堆堆芯，所述反应堆堆芯包括多个燃料管，每个燃料管均容纳：

燃料盐，所述燃料盐是一种或多种裂变同位素的熔盐；

所述燃料盐的气体界面，所述燃料盐的气体界面是所述燃料盐的在所述反应堆的操作期间与气体空间接触的表面；

燃料盐冷却系统，所述燃料盐冷却系统被配置为冷却所述燃料盐，所述燃料盐冷却系统包括：

冷却剂箱，所述冷却剂箱容纳冷却剂液体，所述燃料管至少部分地浸没于所述冷却剂液体中，以及

热交换器，所述热交换器用于从所述冷却剂液体中提取热量；所述方法包括：保持所述燃料盐的温度，使得在所述反应堆的操作期间，对于每个燃料管内的所述燃料盐内的除了在相应的气体界面处的所有点：

其中：

T₁是所述燃料盐在所述气体界面处的温度；

T₂是所述燃料盐在测量点处的温度；

P₁是所述气体界面处的绝对压力；

P₂是所述测量点处的绝对压力；

R_He是氦的气体常数；

ΔH_He是氦在所述燃料盐中的溶解焓。

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